Đề tài Thiết kế bộ đánh thức cho mạng cảm biến không dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện : PHẠM VĂN DANH Lớp ĐT8 – K51 Giảng viên hướng dẫn : TS.PHẠM NGUYỄN THANH LOAN Hà nội, 5-2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện : NGUYỄN CÔNG ANH (Khối ED) Lớp ĐT8 - K51 PHẠM VĂN DANH (Khối LNA) Lớp ĐT11 – K51 Giảng viên hướng dẫn : TS.PHẠM NGUYỄN THANH LOAN Cán bộ phản biện : TS.NGUYỄN ĐỨC MINH Hà nội, 5-2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:PHẠM VĂN DANHSố hiệu sinh viên: 20060479 Khoá: 51 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện tử - Viễn thông Đầu đề đồ án: ………………………………………………..……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………..………................ Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……..…………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………….……….…..………………………..…………………………………………………………………………………………………. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………………..………..….……………………………………………………………………………………………………………….…….. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….…………………………………………………………………………………………………………………………………. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …………………………………………………………….….……………… Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………...………………….. Ngày tháng năm 2011 Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngàytháng năm 2011 Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN DANHSố hiệu sinh viên:20060479 Ngành: Điện tử - Viễn thôngKhoá: 51 Giảng viên hướng dẫn:TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN Cán bộ phản biện: TS. NGUYỄN ĐỨC MINH Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Ngày tháng năm 2011 Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) Lời nói đầu Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta dễ dàng thu thập các thông tin ở bất kỳ vùng địa lý nào và tại bất kỳ thời điểm nào. Hiện nay xuất hiện ngày càng nhiều các phương pháp thu thập thông tin khác nhau, trong đó các ứng dụng của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) được phát triển ngày càng rộng khắp trên thế giới cũng như ở nước ta. Quá trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây đặt ra một số vấn đề như vấn đề năng lượng tiêu thụ, vấn đề đồng bộ cảm biến, vấn đề mở rộng mạng…Năng lượng luôn là yếu tô quan trọng của bất kì loại mạng nào. Với mạng cảm biến không dây, do đặc thù của mạng có thể được triển khai và hoạt động ở mọi lúc mọi nơi nên yêu cầu mỗi nút mạng phải có khả năng hoạt động liên tục trong một thời gian dài. Do đó năng lương tiêu thụ là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong việc duy trì thời gian hoạt động của một nút mạng . Mỗi một nút cảm biến là một thiết bị điện rất nhỏ, nên chỉ được trang bị nguồn năng lượng hạn chế, trong hầu hết các ứng dụng, do đặc thù nên việc tiếp thêm năng lượng là không thể thực hiện được. Cho nên thời gian tồn tại của nút cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng cảm biến đa kết nối, mỗi nút vừa đóng vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình thái mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó việc bảo tồn nguồn năng lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Vì lý do đó, mà đã có nhiều nhà nghiên cứu cố gắng đi tìm giải pháp để quản lý và sử dụng năng lượng một cách có hiêu quả.Và một số phương án đã được đưa ra: Nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mới. Tính toán, thiết kế các thuật toán, giao thức ít tiêu tốn năng lượng. Thiết kế, tối ưu phần cứng của từng nút mạng. Trong đồ án này, một giải pháp tổng thể đã được đưa ra để tối ưu năng lượng tiêu thụ của toàn mạng. Đó là kết hợp giữa việc tối ưu phần cứng với việc lựa chọn, ứng dụng một giao thức truy nhập phù hợp. Thông thường, để để điều khiển truy nhập giữa các nút mạng, người ta sử dụng chu trình điều khiển mà trong đó cả nút thu mà phát sẽ được bật tắt theo chu kỳ được xác định bởi tín hiệu đồng bộ. Tuy nhiên giữa nút thu và nút phát thường mất đồng bộ, dẫn tới các nút này được bật lên không đúng thời điểm, tiêu tốn năng lượng vô ích. Thay vì như vậy, một đề xuất được đưa ra là sử dụng một bộ thu phụ có chức năng giống như bộ thu chính tuy nhiên nó có cấu tạo đơn giản hơn và tiêu thụ năng lượng cực nhỏ, nó sẽ liên tục giám sát kênh truyền,xử lý báo hiệu và gửi tín hiệu nhằm khởi động (đánh thức) bộ thu phát chính khi cần thiết. Bộ thu phụ này còn gọi là bộ đánh thức. Mục đích của đồ án là phân tích thiết kế bộ đánh thức tiêu thụ công suất thấp 500μW, hoạt động ở dải tần 2.4 GHz cho mạng cảm biến không dây. Đặc biệt bộ đánh thức này sẽ được thiết kế chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ CMOS 130 nm. Đồ án gồm 4 chương: Chương 1. Lý thuyết chung Trong chương đầu tiên này sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây như là khái niệm, cấu trúc, ứng dụng. Những cơ sở lý thuyết chung nhất về các linh kiện điện tử cơ bản như tụ điện, điện trở, cuộn cảm, transistor, lý thuyết về công nghệ CMOS, đặc biệt là ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới đặc tính của các linh kiện cũng sẽ được trình bày trong chương này. Phần cuối cùng sẽ trình bày sơ lược về phần mềm Cadence đã sử dụng trong quá trình phân tích thiết kế. Chương 2. Phân tích thiết kế bộ đánh thức Chương này sẽ trình bày những phân tích các yếu tố kỹ thuật như: công suất tiêu thụ, độ nhạy, độ ổn định của các loại bộ thu từ đó đề xuất một cấu trúc phù hợp cho bộ đánh thức. Sau đó, những vấn đề sơ lược nhất về các khối của cấu trúc bộ đánh thức đã chọn sẽ được trình bày. Chương 3. Thiết kế khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Chương 4. Thiết kế khối tách biên (ED) Hai chương này sẽ trình bày chi tiết về quá trình phân tích, thiết kế hai khối quan trọng nhất của bộ đánh thức: khối khuếch đại tạp âm thấp và khối tách biên bao gồm cả những kết đạt được như: sơ đồ mạch, nguyên lý, các thông đã tối ưu, sơ đồ layout… Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cũng như bè bạn trong viện, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. Chúng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan, các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập thể đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra. Tóm tắt đồ án Mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quốc phòng, y tế, thương mại. Việc nghiên cứu phát triển và tối ưu mạng cảm biến không dây là yêu cầu cấp thiết của thực tiễn. Một trong những vấn đề cốt lõi khi xây dựng mạng cảm biết không dây là tối ưu công suất tiêu thụ của toàn mạng. Trong nghiên cứu này giải pháp đã đưa ra là: sử dụng bộ đánh thức có công suất tiêu thụ cực thấp, liên tục giám sát kênh truyền và đánh thức bộ truyền thông dữ liệu chính khi cần thiết, nhờ vậy năng lượng tiêu hao của các nút mạng cũng như toàn mạng đã được giảm đáng kể. Tuy nhiên một vấn đề mới đặt ra khi sử dụng bộ đánh thức đó là: cấu trúc của bộ đánh thức phải như thế nào để vừa đảm bảo được chức năng của một bộ thu vừa đáp ứng yêu cầu về năng lượng. Mục đích của đồ án này là phân tích đề xuất một cấu trúc phù hợp cho bộ đánh thức trong mạng cảm biến không dây sử dụng điều chế sóng mang AM ở dải tần 2.4 GHz. Đồng thời ứng dụng công nghệ CMOS 130 nm để thiết kế và chế tạo bộ đánh thức. Trong cấu trúc bộ thu mà chúng tôi đề xuất có sự khác biệt lớn so với so với những cấu trúc truyền thống, đó là sử dụng một khối tách biên thực hiện giải điều chế trực tiếp sóng mang không chuyển qua tần số trung gian tức là không dùng bộ trộn, không dùng vòng khóa pha, đồng nghĩa với việc công suất tiêu thụ được giảm xuống mức tối thiểu. Trên thực tế, chúng tôi đã tiến hành phân tích thiết kế hai khối quan trọng nhất của bộ đánh thức là: khối khuếch đại tạp âm thấp, khối tách biên. Bản thiết kế của cả hai khối này đã đươc đã được hoàn thành với công suất tiêu thụ nhỏ 500μW, độ nhạy tốt -40dB và độ ổn định cao. Abstract Wireless sensor networks have been increasingly and widely applied in many application fields such as defense, medical and commercial. The practical application of the wireless sensor network requires people who spent much more time for research and optimizesthis network. One of the main issues when setting-up a wireless network is optimeze th power consumption of the entire network. In this study, we propose an approach to this point: using a wake-up receiver that consumes the extremely low consumption to continuously monitor the channel and wakes up the main tranceiver when necessary. Consequently, the energy consumption of a node as well as entire network will be reduced significantly. However, this poses a new problem when using the wake-up receiver that is: how to the wake-up receiver structure we can design to ensure both the functionality and power consumption requirement are satisfied. The goal of this project is to analyze and propose a structure for the wake-up receiver (of the wireless sensor network) using modulated AM carrier (OOK) at 2.4 GHz range. That base on 130 nm CMOS technology. This structure use a block called Envelope detector instead of mixers and phase lock loop (PLL) to detect the envelope of input sinal and gives output signal in digital waveform. Envelope detector plays the role of a direct AM demodulator.Carrier is not transferred through intermediate frequency. As the mixer and phase-locked loop are not used, power consumption is reduced significantly. In fact, we have carried out the design and analysis of two blocks that are the most important block in wake_up receiver structure: low noise amplifier block, envelope detector block. The design of both these blocks have already been completed with low power consumption (500 μW), good sensitivity (- 40 dB) and high stability. Mục lục Danh sách hình vẽ Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây 1 Hình 1.2: Cấu tạo nút mạng cảm biến 2 Hình 1.3: Mô hình truyền sóng 4 Hình 1.4: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của kỹ thuật điều chế 6 Hình 1.5:Mô hình tương đương của điện trở ở tần số cao [1] 7 Hình 1.6: Sự phụ thuộc của điện trở vào tần số [1] 8 Hình 1.7: Mô hình tương đương của tụ điện [1] 8 Hình 1.8: Đặc tính dung kháng theo tần số [1] 8 Hình 1.9: Mô hình tương đương của cuộn cảm [1] 9 Hình 1.10: Sự phụ thuộc cảu cảm khắng vào tần số [1] 9 Hình 1.11: Cấu tạo transistor NMOS [1] 10 Hình 1.12: Đồ thị đặc tuyến hoạt động của transistor NMOS [2] 11 Hình 1.13: Mô hình NMOS khi VGS>0 12 Hình 1.14: Mô hình tín hiệu nhỏ của transistor mắc theo sơ đồ S chung [2]. 14 Hình 1.15: Quy trình thiết kế IC 15 Hình 2.1: Chu trình hoạt động của nút trong mạng cận đồng bộ 20 Hình 2.2: Chu trình hoạt động của nút khi có bộ đánh thức 21 Hình 2.3: Hệ thống RFID 21 Hình 2.4: Kiến trúc supper-heterodyne 22 Hình 2.5: Kiến trúc low_IF 23 Hình 2.6: Kiến trúc bộ thu trực tiếp 25 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý khối LNA 27 Hình 3.2: Sơ đồ khối LNA 28 Hình 3.3: Mô hình tương đương của khối LNA với tín hiệu đầu vào nhỏ 28 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn Gmax, NFmin theo Vbias_M1 30 Hình 3.5: Đồ thị quan hệ giữa Vbias , số finger M2 và Id 31 Hình 3.6: Sơ đồ minh họa transistor có cùng W/L nhưng khác nhau số finger 31 Hình 3.7: Đồ thị quan hệ giữa Gmax với n1 tương ứng với các giá trị khác nhau của n2 32 Hình 3.8: Đồ thị quan hệ giữa NFmin với n1 với n1 tương ứng với các giá trị khác nhau của n2 32 Hình 3.9: Đồ thị NFmin theo chiều rộng của finger (W) và chiều dài kênh L 33 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mới sau khi mắc thêm tụ Cex 35 Hình 3.11: Đồ thị Gmin theo Vbias và số Finger của M2 (n2) trên đồ thị Smith 35 Hình 3.12: Đồ thị S11 theo Cex và Cin 36 Hình 3.13: Đồ thị quan hệ giữa S11 và Cin 36 Hình 3.14: Giá trị Gmax, NFmin sau khi phối hợp trở kháng đầu vào 37 Hình 3.15: Đồ thị quan hệ giữa S22 và Cout 38 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mắc thêm điện trở để phối hợp trở kháng đầu ra 38 Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn đồ lớn của S11, S22 theo giá trị R 39 Hình 3.18: Đồ thị S11 theo số finger của M2 (8 ÷ 64) 40 Hình 3.19: Đồ thị S11 theo Vbias_M1 (300 mV÷800 mV) 40 Hình 3.20: Đồ thị Gmax, NFmin theo Vbias với số Finger của M1, M2 là 8 41 Hình 3.21: Đồ thị quan hệ giữa S11, S22 với số finger của M2 (n2) 41 Hình 3.22: Đồ thị S22 theo Cout với n1 =8, n2 =12, Vbias = 500 mV, R = 1,3 KΩ 42 Hình 3.24: Đồ thị S11 theo Cex và tần số. 43 Hình 3.25: Đồ thị S11 theo Cin và tần số 43 Hình 3.26: Đồ thị các tham số của ma trận S theo tần số 44 Hình 3.27: Hệ số NF, NFmin theo tần số 45 Hình 3.28: Sơ đồ layout của transistor M1 46 Hình 3.29: Sơ đồ layout tụ điện Cin 47 Hình 3.30: Sơ đồ layout cuộn cảm Lbias 48 Hình 3.31: Sơ đồ Layout tổng thể khối LNA 48 Hình 4.1: Bộ tách biên - giải điều chế sóng AM đơn giản 50 Hình 4.2: Đặc tuyến của diode làm bằng Silic và Germanium 51 Hình 4.3: Tín hiệu giải điều chế OOK 52 Hình 4.4: Sơ đồ mạch 53 Hình 4.5: Mô hình mạng hai cửa của mạch tách biên 54 Hình 4.6: Đồ thị khảo sát Gmax theo Vbias và Vdc 58 Hình 4.7: Đồ thị nhiễu theo Vbias và Vdc 59 Hình 4.8: Đồ thị smith khảo sát Gmin theo n1 và n2 60 Hình 4.9: Đồ thị khảo sát Gmin theo n1, n2 61 Hình 4.10: Đồ thị smith khảo sát S11 theo lc1 và nl2 61 Hình 4.11: Đồ thị khảo sát S11 theo n1 và n2 62 Hình 4.12: Đồ thị Smith khảo sát S22 theo lc2 63 Hình 4.13: Đồ thị khảo sát S22 theo n1 và n2 63 Hình 4.14: Đồ thị S22 theo n2 khi n1=8 64 Hình 4.15: Đồ thị khảo sát nhiễu theo tần số 66 Hình 4.16: Đồ thị khảo sát gain theo kích thước transistor 67 Hình 4.17: Đồ thị khảo sát nhiễu theo kích thước transistor 67 Hình 4.18: Đồ thị dạng tín hiệu ra 68 Hình 4.19: Sơ đồ layout tổng thể khối tách biên 69 Quy tắc 1.1: Quy tắc layout lớp N-well 74 Quy tắc 1.2: Quy tắc layout P+, N+ 75 Quy tắc 1.3: Quy tắc layout lớp polysilicon 75 Quy tắc 1.4: Quy tắc layout lớp contact 76 Quy tắc 1.5: Quy tắc layout lớp kim loại 76 Quy tắc 1.6: Quy tắc layout lớp via 76 Quy tắc 1.7: Quy tắc layout lớp via2 77 Danh sách các bảng biểu Bảng 3.1: Bảng các tham số ban đầu của LNA trước khi tối ưu 29 Bảng 3.2: Bảng tham số LNA trước khi phối hợp trở kháng 34 Bảng 3.3: Tham số của LNA sau khi phối hợp trở kháng 46 Bảng 4.1: Bảng các yêu cầu thiết kế 56 Bảng 4.2 : Các thiết lập ban đầu 57 Bảng 4.3: Giá trị một chiều của transistor 59 Bảng 4.4: Các tham số sau vào sau khi tối ưu 65 Bảng 4.5: Giá trị điện áp, dòng điện của transistor đã tối ưu 65 Bảng 1.1: Bảng các quy tắc layout 74 Danh sách các từ viết tắt AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ ASK Amplitude Shift Keying Điều biến dịch biên độ BJT Bipolar Junction Transistor Transistor lưỡng cực CMOS Complementary Metal-Oxide- Semiconductor Công nghệ sử dụng trongthiết kế IC ED Envelope Detector Khối tách biên FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Điều biến dịch tần số Gmax Gain maximum Hệ số khuếch đại lớn nhất IC Integrated Circuit Mạch tích hợp IF Intermediate frequency Tần số trung tần LNA Low Noise Amplifier Khối khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội MOSFET Metal oxide semiconductor field-effect Transistor Transistor hiệu ứng trường kênh cảm ứng. NFmin Noise Figure minimum Hệ số nhiễu tối thiểu NMOS Negative Metal Oxide Semiconductor Transistor hiệu ứng trường loại N OOK ON OFF Keying Điều chế số theo phương thức bật tắt sóng mang PMOS Posistive Metal Oxide Semiconductor Transistor hiệu ứng trường loại P PSK Phase Shift Keying Điều biến dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương RFID Radio frequency identif